【正文】 我國海洋油氣資源分布 我國海岸線長度、大陸架和 200 海里專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)面積均在世界前 10 位，管轄海域總面積近 300 萬平方公里。在我國南海已勘探的 16 萬平方公里海域中，發(fā)現(xiàn)的石油儲量有 億噸，天然氣儲量有 12 萬億立方米。 [5] 我國海洋油氣資源的開發(fā) 我國海洋石油天然氣勘探開發(fā)工作起步于 20 世紀(jì) 50 年代，至 1971 年在渤海發(fā)現(xiàn)了具有開采價值的海四油田，建設(shè)了 2 座開發(fā)平臺，建成了我國第一個海 上油田，自此進(jìn)入了我國海洋油氣勘探開發(fā)的快車道。 20 世紀(jì) 80 年代，我國近海石油、天然氣勘探工作也獲得重大進(jìn)展，先后在渤海、黃海、東海和南海的珠江口、北部灣、瓊東南等海區(qū)發(fā)現(xiàn)了 65個含油、氣構(gòu)造，探明了 87 億噸石油資源和 l 300 多億立方米天然氣 資源。世界水深 500 米或超過 500 米的深海油氣勘探開發(fā)始于上個世紀(jì) 70 年代，至 20xx 年底，已發(fā)現(xiàn) 470 億桶石油。如墨西哥灣，其深水區(qū)油、氣占有量從 1990 年的 4％和 l％， 10 年后快速升到 64％和 36％，發(fā)展速度較快。我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識到：我國目前的海洋油氣開發(fā)主要集中在近海和淺海。 [7] 表 12 我國深水區(qū)開發(fā)與世界先進(jìn)水平對比 項目 世界先進(jìn)水平 我國水平 鉆探最大水深，米 3050 505 投產(chǎn)油田最大水深，米 2192 333 鋪管最大水深，米 2202 150 起重能力，噸 14000 3800 在地質(zhì)構(gòu)造、油氣成藏特征和環(huán)境條件等方面，我國海域油氣藏存在眾多急需解決的技術(shù)難點(diǎn)，特別是復(fù)式油藏盆地構(gòu)造復(fù)雜，油層埋藏淺，儲層疏松，井下出砂嚴(yán)重，高粘、高凝、高含蠟等復(fù)雜原油物性，海況、灘涂環(huán)境惡 劣，以及海冰、海侵、南海特有的強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和內(nèi)波等災(zāi)害性環(huán)境條件，這些都是世界石油領(lǐng)域面臨的難題，也是我國海洋石油資源難于開發(fā)的原因之一。目前，全世界已有 2300 多套水下生產(chǎn)設(shè)施、 204 座深水平臺運(yùn)行在全世界各大海域，最大工作水深張力腿平臺（ TLP）已達(dá)到 1434m，SPAR 為 2073m、浮式生產(chǎn)儲油裝置（ FPSO）為 1900m、多功能半潛式平臺達(dá)到 1920m 以上、水下作業(yè)機(jī)器人（ ROV）超過 3000m，采用水下生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的油氣田最大水深為 2192m，最大鉆探水深為 3095m。 圖 22 典型水下 生產(chǎn) 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思圖 深水系統(tǒng)的組成 當(dāng)前海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系 統(tǒng) 組成 分為以下五大 部分 ：海底多相流泵增壓系統(tǒng)、海底原海水注入系統(tǒng)、海底氣 液分離和液體增壓泵送系統(tǒng)、海底產(chǎn)出水分離和回注系統(tǒng)、海底濕氣壓縮系統(tǒng)。 第 2章 深水系統(tǒng) 10 圖 23海底氣體壓縮機(jī) 圖 24 Tordis 海底分離系統(tǒng) 深水系統(tǒng)的發(fā)展史 海底分離技術(shù)的發(fā) 展 關(guān)于海底分離技術(shù)幾個里程碑事件是： ? 1970 年，英國石油公司在阿拉伯聯(lián)合酋長國的首都阿布扎比的 Zakum油田進(jìn)行海底分離的實驗 ? 1987 年，德士古公司的海底分離器和液塞捕集器被安裝在北海第 2章 深水系統(tǒng) 11 Highlander 油田的 Tartan 平臺上。這種分離器被稱作垂直環(huán) 形分離和泵送系統(tǒng)，最初的想法在 1980 年起源于英國石油公司。 ? 20xx 年，埃克森美孚石油公司在赤道幾內(nèi)亞的 Topacio 安裝了 Framo螺旋同軸電動泵。同時，深水系統(tǒng)避免了 海面上各種惡劣氣候環(huán)境因素如風(fēng)暴、海冰等的威脅，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，減少 了 停運(yùn)時間，增加 了 經(jīng)濟(jì)效益。 （ 5）海底污水處理回注系統(tǒng)可以把以處理 后 的生產(chǎn)污水直接回注，大大有利于環(huán)境的保護(hù)，同時減少水面上的注水泵、 FPSO 上的旋轉(zhuǎn)通道和輸水管線等設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備的投資。深水中的靜水壓力很高，所以容積式容器需要很高的抗壓強(qiáng)度。惡 劣的海洋條件例如風(fēng)、波浪、洋流等，通常無法掌握其情況，數(shù)據(jù)極少。 （ 5）由于人類潛水深度的限制，水 深超過一定界限以后，水下設(shè)備的安裝必須使用水下機(jī)器人進(jìn)行。傳 統(tǒng)的離岸開發(fā) 是在 淺水中 建設(shè)擁有固定腿的平臺 。海底 分離將 避免舉升大量需要處理和回注的水到海面。 圖 31 一種海底重力式分離器 海底重力分離器的設(shè)計制造是非常廉價的。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 15 ? 對于高壓力系統(tǒng)和高水深區(qū)域的開發(fā)，重力分離器所承受的壓力等級將要求它們擁有 很 高 的 壁厚，因此變得笨重和昂貴。 整個 SSBIS 系統(tǒng)包括跨接管匯、注水樹、海底分離增壓和注水 (SSBI)站。 SSBIS 站分離模塊 結(jié)構(gòu) 如圖 32 所示，采用了 CDS 緊湊式分離器，海底分離器 中的入口旋流器首先將油井產(chǎn)出物中的大部分氣體分離出來，并通過1 個獨(dú)立管線送出分離罐外，從而減小了分離罐的尺寸。 圖 32 SSBI 站分離模塊結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖 1— 氣液旋流分離器 。被沖刷走的砂子轉(zhuǎn)移到 1 個重力除砂模塊，與注入水混合后重新注入 到 注水泵下游的地層中。分離罐中還安裝有液位檢測計來監(jiān)測水 油 氣三相之間的界面，這些界面信息用來控制注水泵和多相泵的轉(zhuǎn)速。 ? 除去井流中的水， 提高注水能力，改善停產(chǎn)和再啟動條件 ， 改善管道輸送條件，同時避免了多相輸送容易 出現(xiàn)的問題（例如形成水化物、段塞）；流動更加穩(wěn)定，輸送的體積可 少，允許使用小尺寸 的 管子 。外層套管（承壓套管）有各種標(biāo)稱的接頭，共有 6 節(jié)，其直徑為 ，總長度為 3070m。在系統(tǒng)內(nèi)部，液體在螺旋水道的導(dǎo)向下直接進(jìn)入分離器的底部，通過產(chǎn)生的離心力提高分離效果。 VSAPS 可實現(xiàn)良好的氣液分離，使液體中氣體的含量降到最低限度， 因此可以使用單相泵及測量系統(tǒng)。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 19 ? VASPS 頂部組件：該系統(tǒng)的頂部構(gòu)件包括分離器頂部氣體膨脹腔、節(jié)流閥、液體及氣體出口連接件、液體入口連接件、過程檢測設(shè)備 、 ROV 接口板、穿電源設(shè)備及測試管線。 ? 螺旋分離器接頭：由外層焊有螺旋板的中心管制成 。壓蓋可以電動斷開，并與 LDP 和 ESP 一起從 VASPS 系統(tǒng)中完全脫離開。 ? 海底井到 VASPS 系統(tǒng)只 需要一根多相管道，所以減少了設(shè)備的投資。分離出來的水被用于回注以 獲得油田的穩(wěn)產(chǎn)和保持地層壓力。氣 液分離是 由氣體篩完成的，氣體篩同時能減少段塞流的形成，所以使管式分離器的入口狀況 非常 平穩(wěn)。氣體篩的的短管提供了一定的滯留體積，這將使系統(tǒng)更加難于發(fā)生段塞流。 Norsk Hydro 的實驗證明， 在管式分離器中，流體在 高達(dá) ／ s 的軸向平均流速能夠獲得有效的相分離，因此該技術(shù)能夠應(yīng)用于需要同時兼顧流體相分離和流體輸送的管線中。 當(dāng)處理高粘度的流體時，乳狀液是很容易形成的，所以有效的分離是很困難的。乳化層剛好在這兩層中間，所以速度差將使乳化層承受巨大的剪切力，這將幫助破乳加強(qiáng)分離。液 體密封段被設(shè)計成位于管式分離器下游尾端的彎曲段，實際上是一個用于將分離后的水從原油主流中去除的 “水封”。 管式分離器的優(yōu)勢 與常規(guī)重力式分離器相比，管式分離器擁有以下優(yōu)勢： ? 水滴有較短的沉降距離 ? 對乳化層有較大的剪切 ? 水相能 夠通過較大的交界面 ? 流體 在 分離器 入口 能夠保證平穩(wěn) 由于以上的優(yōu)勢，管式分離器能夠減少設(shè)備重量和提高分離效率。管式分離器在 100％設(shè)計載荷下所允許的氣 液比 (GLR)為 ，在 75％設(shè)計載荷下為 ，在 50％設(shè)計載荷下 ，GLR 為 時仍然不會對油水分離產(chǎn)生負(fù)面影響?；A(chǔ)理論研究和數(shù)值模擬研究主要在荷蘭的埃因霍恩科技大學(xué)等幾所大學(xué)、 Stork Product Engineering 公司和 Shell 的研究機(jī)構(gòu)中進(jìn)行， 開發(fā) 了一些描述分離器內(nèi)部復(fù)雜流動的分析和數(shù)值模擬工具。該脫水系統(tǒng)包括 6 個超音速分離器，每個分離器的處理能力約為 280 104m3／ d，總處理能力接近 850 104m3／ d(有備用分離器 )，壓力降達(dá) 25％ 30％，出口水露點(diǎn)達(dá) 10℃，大修時間 間隔 可達(dá) 20xx0h。雖然有幾個部件在海底安裝和運(yùn)行之前還需要做進(jìn)一步研發(fā)和資質(zhì)認(rèn)證，但已經(jīng)報批了一個由歐盟資助的 4 年的研發(fā)計劃，將于 20xx 年完成小規(guī)模海底天然氣處理裝置樣機(jī)的設(shè)計制造和 安裝調(diào)試。 超音速氣 液分離器的原理 超音速氣 液分離技術(shù)的實質(zhì)是低溫冷凝法，超音速分離器 (或稱為露點(diǎn)分離器 )為其中的核心部件。 圖 310 Twister 超音速氣 液分離器工作原理及典型工作參數(shù) 超音速 氣 液分離器的結(jié)構(gòu) 超音速噴管的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)主要有： (1)拉瓦爾噴管 拉瓦爾噴管是一種具有精確幾何形狀的收縮 擴(kuò)張管道，可以將氣流的速度提高到超音速水平，并導(dǎo)致溫度急劇下降。到達(dá)噴管出口時，氣體的溫度與進(jìn)口相比可以降低 5080℃。 水蒸氣冷凝過程中，將形成大量的尺寸非常小的液滴，并且釋放出一定的熱量，此熱量可能導(dǎo)致流場中出現(xiàn)激波，使流動變得非常復(fù)雜 。由于存在超音速兩相流動，分離系統(tǒng)內(nèi)部的流動非常復(fù)雜。 [20] (4)系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)節(jié) Twister BV公司的天然氣超音速脫水裝置 Twister安裝在直徑 的管子內(nèi)部，分離器總長 。為了使裝置的優(yōu)勢最大化，原則上應(yīng)在高壓下應(yīng)用，進(jìn)口壓力為715MPa。 (3)天然氣超音速脫水技術(shù)利用天然氣本身的壓力工作，能夠在瞬間啟動和停止工作，并且不需要大量的外部能源供應(yīng)。它是一種不 相溶介質(zhì)的分離、分級與分選設(shè)備。 液體從旋流器入口切向進(jìn)入后，同時產(chǎn)生兩種基本的同向旋轉(zhuǎn)液流 ——順螺旋線向下流動的外旋流和沿螺旋線 向上流向溢流管的內(nèi)旋流， 如圖311 所示。對無背壓的水力旋流器，在水力旋流器軸線附近，由于靜壓頭很低，而離心力又很高，以致液體渦核無法存在 ，于是空氣順勢沿底流口進(jìn)入并在軸心形成一個上升的旋轉(zhuǎn)空氣柱。 固相顆粒進(jìn)入水力旋流器后，一方面與液流一起繞水力旋流器軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，另一方面顆粒還作軸線和徑向運(yùn)動。 [23] 圖 311 水力旋流器液流工作模型及其工作原理 水力旋流分離器的優(yōu)勢 對于那些油水壓力非常高的海上油田，水力旋流器相比于常規(guī)分離器有第 3章 緊湊型分離設(shè)備 30 很多優(yōu)勢： ? 體積小、緊湊 ? 重量輕 ? 擁有靈活的模塊化設(shè)計 ? 發(fā)生故障后擁有快速啟動和修復(fù)功能 ? 需要消耗的能量低 ? 需要的維修少 ? 可以使油田控制標(biāo)準(zhǔn)化 ? 增加了分離系統(tǒng)的處理范圍 [24] 旋流分離系統(tǒng) 一些現(xiàn)在在市場上出售的以旋流為基礎(chǔ)的分離器可以完成固 /氣分離、液 /液分離 、固 /液分離和氣 /液分離。 如圖 313 所示，該系統(tǒng)集成了 1 個可回收的 氣 液分離器和 1個可回收的液體增壓器 (LiquidBooster)，電力、通訊、液壓和公用設(shè)備通過集成鋼管臍帶提供。氣液混合物入口位于分離器的中上部，氣體出口位于分離器的頂部而液體出口位于底部，自上而下依次為第 2 級氣體洗滌器、第 1 級氣體洗滌器、入口腔室、導(dǎo)旋元件、旋流分離段、鎖氣元件等。 圖 314 G— sep緊湊型旋流脫氣器 在為水深 1500m 的 SPC 項目進(jìn)行認(rèn)證實驗時，即使操作壓力高達(dá)13MPa(一般在 213MPa 之間 )， G— sep 緊湊型旋流脫氣器氣體出口的含液體積比為 ／ m3 ，液體出口的含氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1％ 5％，顯示了良好的分離性能。越大越重的油滴在重力分離器中沉降的越快，因此在緊湊式旋流分離器中擁有更高的分離效率。增大水顆粒的直徑可以大大地增加其沉降速度。 西方發(fā)達(dá)國家的研究人員打 破數(shù)十年來常規(guī)電脫水器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的慣性思維模式，率先提出了將水顆粒靜電聚結(jié)長大與水顆粒重力沉降 2 個過程分開、予以先后實施的原油脫水方案，從而使得靜電聚結(jié)破乳設(shè)備緊湊化、高效化，這就是所謂的緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)原油脫水技術(shù)。 W／ O 型原油乳化液從上部進(jìn)入，通過擋流板后進(jìn)入內(nèi)外圓筒的環(huán)形間隙并自上而下流動。乳化液在電場中的停留時間為 310S，可以通過選取適當(dāng)?shù)碾姌O長度來保證。無論采用何種結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，電極部分都可以作為一個整體組件從外殼筒體頂部取出，維修檢查較為方便。分離器中油相中的水滴很容易聚結(jié)長大，因此分離變得十分容易。 LOWACC 擁有較高的分離效率，分離出的油品的含水率可以達(dá)到 %。 ? 靜 電分離器后跟一個旋流分離器，是有可能在海底生產(chǎn) 精練等級的原油的，用這兩個分離器，幾乎可以清除油流中含有的所有 水分和鹽分。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 井下分離的方式主要有基于重力的分離系統(tǒng)，基于旋流的分離系統(tǒng)和 薄膜井下分離系統(tǒng)。 以旋流為基礎(chǔ)的 DOWS 系統(tǒng) 今天，已經(jīng)有很多井下分離系統(tǒng)被使用，包括氣 液分離，液 固分離和液 液分離。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 38 圖 318 以旋流為基礎(chǔ)的井下氣 液分離系統(tǒng) 如圖 318 所示，以旋流為基礎(chǔ)的井下氣液分離系統(tǒng)從下到上主要包括回注篩管、封塞器、下密封、氣 液預(yù)先分離器、錨定工具、螺桿泵、分離器、上密封、壓力平衡閥、連接平穩(wěn)設(shè)備和氣體放出設(shè)備。隨著抽油桿上下移動，油被舉升到地面，水被回注地下?；刈⑹怯梢簤簼撍猛瓿傻?，這種泵是由通過井筒中的 環(huán)管傳遞的動力液體